淺析建筑裝配式大跨度預應力混凝土鋼管桁架疊合板的研究與應用

劉壯 陳一鳴 孫世鵬 李鵬斌

*通訊作者：劉壯，1983年7月，男，漢族，山東濰坊人，就職于中建八局第二建設有限公司，中級建筑師，本科。研究方向：建筑超高層。

摘? ? 要：我國近幾年主推裝配式建筑，裝配式建筑成為了建筑行業的主力軍。結構構件在工廠內預制，現場濕作業相對減少，該結構構件的質量保障程度得到提高，施工現場的污染，包括噪聲、揚塵及水資源等，都有較顯著的降低。經過施工現場實踐發現，PK預應力疊合板底有效減少了板底支撐的設置，部分小跨度樓板可無支撐。通過計算發現，預應力的存在使得PK預應力疊合底板實現了自支撐效應。這些特征使得該類型板的施工具有先進性。

關鍵詞：裝配式;預應力;鋼管桁架疊合板

Abstract： In recent years， China has mainly promoted prefabricated buildings， and prefabricated buildings have become the main force of the construction industry. The structural members are prefabricated in the factory， the wet operation on site is relatively reduced， the quality assurance degree of the structural members is improved， and the pollution on the construction site， including noise， dust and water resources， is significantly reduced. Through the construction site practice， it is found that PK prestressed laminated slab bottom effectively reduces the setting of slab bottom support， and some small-span floors can be unsupported. Through calculation， it is found that the existence of prestress makes the PK prestressed composite floor realize the self-supporting effect. These characteristics make the construction of this type of board advanced.

Keywords： Prefabricated; Prestress; Steel Pipe Truss Laminated Plate

一、引言

第二次世界大戰之后，由于歐洲大陸的建筑普遍受到戰爭的影響，遭受重創，無法提供正常的居住條件，且勞動力資源短缺，此時急需一種建設速度快且勞動力占用較少的新建造方式才能滿足短時間內各國對住宅的需求，于是國外裝配式建筑開始萌生[1]。

從各個國家裝配式建筑發展來看，都有一條清晰的時間線，我國裝配式建筑雖然才剛剛起步，但是有著國外先進的技術和成功的經驗，我們也可以少走彎路，大力促進裝配式建筑發展，這不僅是一條建筑方式的變革之路，也是一條綠色環保的長遠發展之路。

（一）國家相關政策

為貫徹落實國辦發[2016]71號文件大力發展裝配式建筑的實施意見，裝配式建筑應符合國家和山東省《裝配式建筑評價標準》（GB/T51129-2017）（DB37/T5127-2018）的基本規定，其中裝配式建筑單體裝配率要達到50%以上;本項目結構形式為框架結構，根據《裝配式建評分標準》（GB/T51129-2017）單體裝配率不低于50%。

（二）工程概況

本項目為歷城區市民中心項目綜合文化中心二期，位于山東省濟南市世紀大道以南，唐冶東路以西，總建筑面積8.4萬平方米。包含檔案庫房，方志及組織部庫房，區情展示，查檔大廳，老年活動，婦女兒童活動，培訓，健身等。其中二層至屋面層為預應力混凝土鋼管桁架疊合板，為滿足使用要求跨度多為8.2米大跨度，面積約4萬平。

二、裝配式建筑常見的樓板對比分析

（一）主要類別

目前，國內使用的裝配式樓板主要有鋼制樓承板、預制混凝土樓板、鋼筋混凝土桁架疊合板、預應力混凝土鋼筋桁架疊合板、PK預應力混凝土鋼管桁架疊合板。

（二）優劣勢對比

1. 鋼制樓承板對比

鋼制樓承板，優點是自重輕（如圖1所示）、施工速度快，是鋼制樓承板的一大亮點;缺點是剛度大，如果要在大跨度中應用，需要增加波高，將造成鋼筋很難布置，混凝土用量增加;在民用建筑中由于底面是型鋼材質，需要做吊頂處理[2]。在進行混凝土澆筑的過程中容易漏漿，造成樓承板表面觀感差，在使用中還發現，隨著時間的推移，鋼制樓承板的撓度增大，容易變形。

2. 預制混凝土樓板對比

預制混凝土樓板具有跨度大、剛度高、施工效率高、經濟性好等優點。缺點是鋼筋配筋單向化，冗余度差;支座適合鉸接形式，難以形成剛接;預制板厚、自重大，影響層高;整體性差（如圖2所示），抗震性能較弱。

3. 鋼筋混凝土桁架疊合板對比

鋼筋混凝土桁架疊合板，厚度較厚，規范規定厚度在60 mm以上，再加現澆層80 mm， 造成普通跨度（≤ 5米）房間疊合后整體厚度大于140 mm。目前國內現澆板的厚度普遍在120 mm左右，直接造成結構自重增加15%左右[3];現場架體布置，支撐普遍在1.2～1.5米左右（如圖3所示），相比于現澆板系統支撐體系不相上下。

板縫多、現澆帶多。根據規范，鋼筋混凝土疊合板必須進行拉縫才能形成雙向板。而且板縫不能位于跨中，從而使每個房間的板縫多于兩條[4]。若進行并縫密拼處理，后澆層厚度須大于2 h/3，從而又增加了結構自重。拼接縫寬度在200～300 mm，在進行現澆段施工時，要進行吊模或者增加模板支撐。當遇到橫梁時被迫截斷，梁兩側的標高很難控制。

4. 預應力混凝土鋼筋桁架疊合板對比

預應力混凝土鋼筋桁架疊合板，優點是厚度小，一般厚度在40 mm左右（如圖4所示），結構自重輕，板無現澆帶，減少漏漿情況。缺點是跨度小，所能承受的承載力較小。

5. PK預應力混凝土鋼管桁架疊合板優勢

PK預應力混凝土鋼管桁架疊合板（如表1），厚度35 mm左右，疊合后110 mm～125 mm左右，極大減輕結構自重;支撐少，支撐間距可達4米;沒有補空板，主受力方向鋼筋為預應力鋼筋，橫向鋼筋施工時后穿，形成雙向板;一面出胡子筋，安裝方便[5];剛度可調節，不開裂。

由于采用預應力技術，上部受壓區采用鋼管桁架（如圖5所示），鋼管內注入砂漿，保證了在用鋼量最小的情況下有足夠的剛度，剛度好、可懸挑;板幅大、自重小，最大可做到3×12平方米，容重僅為85千克/平方米左右，極大地提高了生產、運輸、吊裝效率。

經過對比分析發現，pk板中存在預應力短邊無胡子筋，可以減少或者取消現澆帶，減少漏漿的情況，方便施工。因為PK預應力混凝土鋼管桁架疊合板附加預應力，所以自重減輕，減少支撐，增加結構安全性。

（三）試驗對比

經過有限元計算模型板底受拉損傷分析，在預制底板上形成了明顯的塑性鉸線，是典型的雙向受力（如圖6所示）。

受力雙向性與有限元分析如下所述。

1. 預應力底板+普通鋼筋桁架，板尺寸3.3×1 m，板厚40 mm，10根φ5預應力筋，桁架上弦鋼筋為φ8三級鋼，混凝土采用C40，在中間不設支撐狀態下，加載至1 KN/m2無開裂，跨中總撓度L/279加載至1.5 KN/m2板下撓度嚴重，跨中上弦鋼筋彎曲，失去承載力，無法滿足施工要求。

2. 預應力底板+矩形鋼管桁架（管內填微膨脹高強砂漿），板尺寸3.9×1 m，板厚30 mm，10根φ5預應力筋，桁架上弦為50 mm×100 mm矩形鋼管內填砂漿，混凝土C40。中間不設支撐狀態下，加載至3 KN/m2時出現裂縫，跨中撓度15 mm（即1/250 L），加載至6 KN/m2時，撓度加大，跨中上弦鋼管鼓曲，鋼管桁架腹筋與混凝土底板錨固良好，未有拔出現象，滿足施工要求，但制作成本高。

3. 預應力底板+鋼管桁架（管內填微膨脹高強砂漿）板長3.600 m，板寬1 m，平均板厚35 mm，預應力筋面積157 mm2，混凝土采用C40，外加荷載，2.5 KN/m2底板跨中位移值14 mm（即1/250 L），外加荷載，2.5 KN/m2底板跨中位移值14 mm（即1/250 L），加載至5.45 KN/m2時，撓度加大，跨中鋼管鼓曲，鋼管桁架腹筋與混凝土底板錨固良好（如圖7所示），未有拔出現象，滿足施工要求，制作成本下降。

4. 板尺寸4.55×2.1 m，板厚35 mm，34根φ5預應力筋，混凝土C40，當中間不設支撐時：撓度18 mm（即1/250 L）時，加載為2.10 kN/m2，當中間增設1道支撐：繼續加載至7.67 kN/m2（1.3倍承載力荷載值）時，第一跨撓度下降1 mm，第二跨撓度下降2 mm，無裂縫。

5. 板尺寸8.020×1.0 m，板厚40 mm，30根φ5預應力筋，混凝土C50，本次試驗最大撓度4 mm時，加載為13.36 kN/m2，撓度下降3.22，滿足規范要求。

經過試驗與有限元分析對比，因為預應力混凝土鋼管桁架疊合板厚度小，制作成本低。同等條件下施加荷載，預應力混凝土鋼棍桁架疊合板撓度變形更低，更不易破壞。所以預應力鋼管桁架疊合板更符合本項目的設計施工要求。

三、結束語

通過實驗發現預應力混凝土鋼管桁架疊合板制作成本低，同條件下承載力高，能在大跨度結構中體現其超常規的特性。

預應力混凝土鋼管桁架疊合板雙面出筋，減低運輸成本，減少物料堆放場地。在施工過程中，由于現澆截面的減少，減少了水泥漿的滲漏。提前施加預應力，避免在運輸以及吊裝的過程中出現裂縫，在安裝的過程中，可以減少或取消下部支撐，降低施工難度，減低施工工期從而降低施工成本。能更有效地助推建筑業的發展。

參考文獻：

[1]朱義鐵.大跨度預應力混凝土梁高大模架安全設計與施工[J].中國安全生產科學技術， 2010，6（2）：127-131.

[2]楊春，吳宏偉，莫庭威，蔡健，吳軼，左志亮，陳慶軍，潘廣斌.鋼管混凝土斜柱轉換結構模型振動臺試驗研究[J].西南交通大學學報， 2021，56（3）：517-525.

[3]張霓，鄭晨陽，趙中偉，劉海卿，羨麗娜.GFRP管-煤矸石混凝土-鋼管空心柱軸壓試驗[J].建筑材料學報， 2021，24（3）：571-577.

[4]趙均海，樊軍超，高偉琪.H型鋼梁與矩形鋼管混凝土柱平齊式端板單邊螺栓連接節點彎矩-轉角分析模型[J].工程力學， 2021，38（6）：91-102.

[5]秦鵬，周昱，李開瓊，易偉建.CFRP約束圓鋼管高強混凝土短柱軸壓試驗研究[J].湖南大學學報（自然科學版）， 2021，48（5）：47-54.